CN104977485B - 一种mmc‑hvdc柔直功率模块短路电流的试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种MMC‑HVDC柔直功率模块短路电流的试验装置及方法，目的在于：解决了柔直功率模块中全控型器件电流上升率超标而进行驱动板的短路保护的问题，所采用的技术方案为：包括可调直流电源(1)，可调直流电源(1)连接至柔性直流输电换流阀功率模块，柔性直流输电换流阀功率模块包括相互连接的电容器(3)、上管全控型器件(5)和下管全控型器件(8)，下管全控型器件(8)上设置有用于短接下管全控型器件(8)的负载电感(9)，所述的上管全控型器件(5)和下管全控型器件(8)分别通过驱动板连接至PMC板(11)；所述的可调直流电源(1)、柔性直流输电换流阀功率模块、PMC板(11)和驱动板均连接至控制台，控制台能够完成升降直流电压和控制保护操作。

Description

一种MMC-HVDC柔直功率模块短路电流的试验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种功率模块试验装置，具体涉及一种MMC-HVDC柔直功率模块短路试验的装置及方法。

背景技术

传统的晶闸管直流输电有成熟的可靠的限制di/dt的短路电流保护及过流保护。柔性直流输电换流阀采用全控型器件,全控器件既可控制其电流导通、又可控制其电流关断，熟悉柔性直流输电换流阀功率模块型式试验的原理，如何实现对全控型器件功率模块过流保护并且进行对功率模块检验，就是一个比传统的晶闸管直流输电更加复杂的技术问题。现有的柔性直流输电功率模块尚无可靠的、成熟的全控型器件短路保护试验设备和控制器，充分了解柔性直流输电换流阀功率模块型式试验的技术要求，熟悉柔性直流输电换流阀功率模块型式试验的设计理念，掌握柔性直流输电换流阀功率模块型式试验的系统原理，从而进一步掌握柔性直流输电换流阀功率模块短路试验的试验方法的研究和应用。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提出一种解决了柔直功率模块中全控型器件因电流上升率超限而进行短路保护的问题的MMC-HVDC柔直功率模块短路电流的试验装置及方法。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案为：

一种MMC-HVDC柔直功率模块短路电流的试验装置，包括可调直流电源，可调直流电源连接至柔性直流输电换流阀功率模块，柔性直流输电换流阀功率模块包括相互连接的电容器、上管全控型器件和下管全控型器件，下管全控型器件上设置有用于短接下管全控型器件的负载电感，所述的上管全控型器件和下管全控型器件分别通过驱动板连接至PMC板；所述的可调直流电源、柔性直流输电换流阀功率模块、PMC板、上管驱动板和下管驱动板均连接至控制台，控制台能够完成升降直流电压和控制保护操作。

所述的上管全控型器件和下管全控型器件分别通过上管驱动板和下管驱动板连接至PMC板。

所述的可调直流电源上设置有用于调节电压的均压电阻。

所述的下管全控型器件依次连接有晶闸管、真空断路器和旁路开关。

所述的柔性直流输电换流阀功率模块上设置有水冷系统。

一种MMC-HVDC柔直功率模块短路电流的试验方法，包括以下步骤：

1)单脉冲试验：首先用22μH的负载电感短接下管全控型器件，然后向柔性直流输电换流阀功率模块施加直流电压，直流电压持续增大直至2100V，同时PMC板给上管全控型器件和下管全控型器件的驱动板发单脉冲，脉宽为18.8μs，并测量控制上管全控型器件和下管全控型器件开通和关断的脉冲、电容器两端的直流电压和负载电感上的电流，单脉冲试验验证上管全控型器件和下管全控型器件能够正常工作后再进行短路电流试验；

2)短路电流试验：首先用0.7μH的负载电感短接下管全控型器件，然后在柔性直流输电换流阀功率模块施加直流电压，直流电压持续增大并保持电容器的正极电流为6000A,同时分别在若干电压等级下测量控制上管全控型器件和下管全控型器件开通和关断的脉冲、电容器两端的直流电压波形和负载电感上的负载电流，最后当直流电压到2100V时PMC板给上管全控型器件发关断单脉冲，脉宽为18.8μs，上管全控型器件关断，即完成短路电流试验。

所述的单脉冲试验和短路电流试验中在柔性直流输电换流阀功率模块不工作情况下，调节可调直流电源逐步施加直流电压至400V，复位后继续增大直流电压直至2100V。

所述的方法中采用示波器和差分探头测量控制全控型器件开通和关断的脉冲和电容器的直流电压波形。

所述的示波器为四通道示波器。

所述的方法中采用罗氏线圈测量电容器和负载电感的电流。

与现有技术相比，本发明装置通过可调直流电源向柔性直流输电换流阀功率模块提供直流电压，控制台进行调节直流电压的大小和保护的相关操作，配合控制可调直流电源，以及保护控制整个装置，电感负载用于短接柔性直流输电换流阀功率模块的下管全控型器件，柔性直流输电换流阀功率模块内置PMC板用于给全控型器件的驱动板发出脉冲信号，驱动板用于发出控制全控型器件导通或关断的脉冲、限制全控型器件的di/dt的大小及过流保护和短路电流保护等，采用本发明装置能够分别完成柔性直流输电换流阀功率模块的单脉冲试验和短路电流保护试验。本发明装置解决了柔性直流输电换流阀功率模块中因全控型器件电流上升率超标而进行驱动板的短路保护的问题，为柔性直流输电换流阀功率模块正常进行型式试验和现场安全投运奠定良好的基础。

进一步，采用上管驱动板和下管驱动板分别对上管全控型器件和下管全控型器件进行控制，能够更好的提高整个装置的稳定性以及安全性，保证试验的性能。

更进一步，利用均压电阻调节可调直流电源的供电电压，对整个装置进行了保护，保证了整个装置的稳定性。

更进一步，利用晶闸管、真空断路器和旁路开关进一步对整个装置进行保护。

更进一步，利用水冷系统对柔直功率模块单元进行冷却，保证了整个装置的稳定性，保证试验的顺利进行。

本发明的方法在短路电流试验之前进行单脉冲试验，用22μH的负载电感短接下管全控型器件，逐步增大直流电压，并通过PMC板给全控型器件的驱动板发单脉冲，测量控制全控型器件开通和关断的脉冲、电容器两端的直流电压和负载电感上的电流，负载电感在单脉冲试验时选用大的负载电感，用于对驱动板的短路保护，主要是di/dt的保护，检测到di/dt过大时先调节驱动板内电阻，限制di/dt，当检测到di/dt过大时，PMC板给全控型器件的驱动板发关断脉冲信号，关断全控型器件，以便于保护全控型器件，通过单脉冲试验验证全控型器件能够正常工作后，采用0.7μH的负载电感短接下管全控型器件，逐步增大直流电压至2100V，电容器的正极电流为6000A，测量控制全控型器件开通和关断的脉冲、电容器两端的直流电压波形和负载电感上的负载电流，当直流电压到2100V时PMC板给全控型器件发关断单脉冲，脉宽为18.8μs，上管全控型器件可靠关断，完成短路电流的试验。本发明方法通过单脉冲试验在柔性直流输电换流阀功率模块参数确定情况下，选取合适的负载电感和脉冲脉宽以便于全控型器件正常工作，选定负载电感及脉冲脉宽，在单脉冲试验验证全控型器件能够正常工作后在进行短路电流试验，能够保证全控型器件在短路电流试验中正常工作，通过单脉冲试验作为一个保护措施，保证了短路电流实验的安全性。

进一步，在单脉冲试验和短路电流试验中，调节可调直流电源逐步施加直流电压至400V，复位后继续增大直流电压直至2100V，逐渐提高直流电压的等级，保证了试验的安全稳定的进行。

更进一步，利用示波器及差分探头分别测量控制全控型器件开通和关断的脉冲V_GE，利用罗氏线圈测量电容器的正极电流和负载电感的电流，能够得到控制全控型器件开通和关断的脉冲V_GE、功率模块上的电容器两端的直流电压波形和负载电感上的负载电流。

附图说明

图1为本发明的结构原理图；

图2为本发明短路电流试验波形图；

其中，1-可调直流电源、2-均压电阻、3-电容器、4-上管驱动板、5-上管全控型器件、6-旁路开关、7-晶闸管、8-下管全控型器件、9-负载电感、10-下管驱动板、11-PMC板。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

参见图1，本发明装置包括可调直流电源1，可调直流电源1上设置有用于调节电压的均压电阻2，可调直流电源1连接至柔性直流输电换流阀功率模块，柔性直流输电换流阀功率模块包括相互连接的电容器3、上管全控型器件5和下管全控型器件8，下管全控型器件8上设置有用于短接下管全控型器件8的负载电感9，负载电感9在单脉冲试验时的负载电感为22μH，在短路试验试验时的负载电感为0.7μH，上管全控型器件5和下管全控型器件8分别通过上管驱动板4和下管驱动板10驱动板连接至PMC板11，下管全控型器件8依次连接有晶闸管7、真空断路器和旁路开关6。可调直流电源1、柔直功率模块单元、PMC板11、上管驱动板4和下管驱动板10均连接至控制台，控制台能够调节直流电压以及保护整个装置。

柔性直流输电换流阀功率模块上设置有水冷系统。在试验时采用四通道示波器和差分探头测量控制全控型器件开通和关断的脉冲、全控型器件管压降和电容器3的直流电压波形。试验装置在试验时采用罗氏线圈测量电容器3和负载电感9的电流。

可调直流电源1用于试验时给柔性直流输电换流阀功率模块施加直流电压，可调直流电源1的正负极分别连接至柔性直流输电换流阀功率模块的正负极。控制台用于配合控制可调直流电源和用于保护控制。水冷系统用于柔直功率模块的冷却，水冷系统的进出水与柔性直流输电换流阀功率模块的进出水分别进行对接，负载电感9在单脉冲试验时用负载电感约22μH短接下管全控型器件8；在短路试验时用负载电感0.7μH短接下管全控型器件8。试验时，利用四通道示波器和差分探头分别测量控制全控型器件开通和关断的脉冲V_GE、功率模块上电容器3的两端直流电压。PMC板11用于发出全控型器件驱动板的脉冲信号，驱动板用于接收PMC板11发来的脉冲信号、发给全控型器件导通或关断的脉冲信号、限制di/dt的大小及过流保护和短路电流保护等。

可调直流电源1的直流输出端接柔直功率模块单元的正负极性两端，控制台进行调节直流电压的大小和保护的相关操作，水冷系统的进、出水与柔直功率模块单元的进、出水分别进行对接。试验中还要用示波器及差分探头分别测量控制全控型器件开通和关断的脉冲V_GE和全控型器件管压降V_CE。罗氏线圈测量电容器3的正极电流和负载电感9的电流，PMC板11用于控制全控型器件导通或关断的脉冲、限制di/dt的大小及过流保护和短路电流保护等。分别完成MMC-HVDC功率模块的单脉冲试验和短路保护试验。本发明为柔直功率模块短路电流的试验解决了柔直功率模块中全控型器件电流上升率超标而进行的短路保护的问题，保证了功率模块的短路保护的顺利进行，为柔直工程安全可靠运行奠定了基本保障。

做单脉冲试验是为过流试验和短路试验所做的前期准备性试验。试验目的:为过流试验和短路试验做前期试验验证。

单脉冲试验步骤：

1)用负载电感约22μH的负载电感9短接下管全控型器件8；

2)柔性直流输电换流阀功率模块不工作情况下，采用调节直流电源逐步施加直流电压至400V时，按控制台上的复位按钮后，继续施加直流电压直至2100V，同时用4通道示波器及差分探头分别测量控制全控型器件开通和关断的脉冲V_GE、柔性直流输电换流阀功率模块上的电容器3两端的直流电压，用罗氏线圈测量负载电感9上的电流，当功率模块到额定电压2100V时，按控制台上的“单脉冲试验指令”按钮，此时PMC板11给全控型器件的驱动板发单脉冲，脉宽约18.8μs，该脉冲下全控型器件能正常工作，单脉冲试验数据见表1。

表1单脉冲试验数据

直流电压	负载电流	试验结果
			600V	500A	工作正常
1000V	950A	工作正常
			1600V	1430A	工作正常
1800A	1730A	工作正常
			2100V	1990A	工作正常

当直流电压为定值时，脉宽加宽、电感减小都能增大全控型器件的导通的工作电流，电流和电压、脉宽、电感的关系按照I＝U*T/L。确定，其中电流的单位为A、电压的单位为V、脉宽的单位为μs，电感的单位μL。脉宽可由PMC板11根据功率模块的技术性能指标进行编程控制和改写。

此项试验在功率模块参数确定情况下，选取合适的电感和脉宽以便于全控型器件正常工作。一旦选定电感及脉宽，该类功率模块参数的所有模块在额定电压时，全控型器件均能正常工作。

在完成单脉冲试验后再进行短路试验。短路试验目的：测试驱动板的短路保护，主要是di/dt保护(4800A/μs)，检测到di/dt过大时先调节驱动板内电阻，限制di/dt，当检测到di/dt大于或等于6000A/μs时，PMC板11给全控型器件的驱动板发关断脉冲信号，关断全控型器件，以便于保护全控型器件。

短路试验步骤：

1)用负载电感约0.7μH的负载电感9短接功率模块下管全控型器件8；

2)柔直模块不工作情况下，用可调直流电源逐步施加直流电压电压至400V时，按控制台上的复位按钮后，继续施加直流电压直至1800V，分别在功率模块上的电容正极电流6000A，用4通道示波器和差分探头分别测量控制全控型器件开通和关断的脉冲V_GE、电容器3两端的直流电压波形，用罗氏线圈测量负载电感9上的负载电流，在五种电压等级下的短路试验数据见表2。

表2短路试验数据

直流电压	负载电流	试验结果
			1000V	6000A	短路保护正常
1200V	6000A	短路保护正常
			1400A	6000A	短路保护正常
1800V	6000A	短路保护正常
			2100V	6000A	短路保护正常

达到保护值，控制台报di/dt故障。当功率模块直流电压到2100V时按控制台上的“短路试验指令”按钮，此时PMC板11给全控型器件发关断单脉冲，脉宽约18.8μs，上管全控型器件5便能正常关断，但达到电流保护值后不会立即关断，有一定的电流过冲，详见图2短路试验波形，同时控制台上报di/dt故障。该类型所有功率模块均能在2100V，6000A/μs工况下可靠关断全控型器件。

短路电流试验波形参见图2，其中Ch1：短路电流波形，最大短路电流值为6000A，图中纵坐标每个单位为3kA。Ch2：直流电容器上的直流电压波形，直流电压2100V，图中纵坐标每个单位为500V。Ch3：PMC板11发出的关断脉冲V_GE电压波形，即触发脉冲波形，触发脉冲宽度约18.8μs，图中纵坐标每个单位为10V。本发明为柔直功率模块短路试验方法中避免了柔直功率模块中因全控型器件电流上升率超标而进行驱动板的短路保护，为柔直功率模块正常进行型式试验和现场安全投运奠定良好的基础。

本发明专利为柔性直流输电换流阀功率模块短路电流的试验方法，检验了柔性直流输电换流阀功率模块中全控型器件因电流上升率超限而进行的短路保护。短路保护是功率模块的型式试验项目之一，是保证柔性直流输电工程安全可靠运行的重要保护措施。

Claims (8)

1.一种MMC-HVDC柔性直流功率模块短路电流的试验装置，其特征在于：包括可调直流电源(1)，可调直流电源(1)上设置有用于调节电压的均压电阻(2)，可调直流电源(1)连接至柔性直流输电换流阀功率模块，柔性直流输电换流阀功率模块包括相互连接的电容器(3)、上管全控型器件(5)和下管全控型器件(8)，下管全控型器件(8)上设置有用于短接下管全控型器件(8)的负载电感(9)，负载电感(9)在单脉冲试验时的负载电感为22μH，在短路试验试验时的负载电感为0.7μH，所述的上管全控型器件(5)通过上管驱动板(4)连接至PMC板(11)，下管全控型器件(8)通过下管驱动板(10)连接至PMC板(11)；所述的可调直流电源(1)、柔性直流输电换流阀功率模块、PMC板(11)、上管驱动板(4)和下管驱动板(10)均连接至控制台，控制台能够完成升降直流电压和控制保护操作。

2.根据权利要求1所述的一种MMC-HVDC柔性直流功率模块短路电流的试验装置，其特征在于：所述的下管全控型器件(8)依次并联连接有晶闸管(7)、真空断路器和旁路开关(6)。

3.根据权利要求1或2所述的一种MMC-HVDC柔性直流功率模块短路电流的试验装置，其特征在于：所述的柔性直流输电换流阀功率模块上设置有水冷系统。

4.一种采用权利要求1-3任一项所述MMC-HVDC柔性直流功率模块短路电流的试验装置的MMC-HVDC柔性直流功率模块短路电流的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)单脉冲试验：首先用22μH的负载电感(9)短接下管全控型器件(8)，然后向柔性直流输电换流阀功率模块施加直流电压，直流电压持续增大直至2100V，同时PMC板(11)给上管全控型器件(5)和下管全控型器件(8)的驱动板发单脉冲，脉宽为18.8μs，并测量控制上管全控型器件(5)和下管全控型器件(8)开通和关断的脉冲、电容器(3)两端的直流电压和负载电感(9)上的电流，单脉冲试验验证上管全控型器件(5)和下管全控型器件(8)能够正常工作后再进行短路电流试验；

2)短路电流试验：首先用0.7μH的负载电感(9)短接下管全控型器件(8)，然后在柔性直流输电换流阀功率模块施加直流电压，直流电压持续增大并保持电容器(3)的正极电流为6000A，同时分别在若干电压等级下测量上管全控型器件(5)和下管全控型器件(8)的开通和关断的脉冲、电容器(3)两端的直流电压波形和负载电感(9)上的负载电流，最后当直流电压到2100V时PMC板(11)给上管全控型器件(5)发关断单脉冲，脉宽为18.8μs，上管全控型器件(5)关断，即完成短路电流试验。

5.根据权利要求4所述的一种MMC-HVDC柔性直流功率模块短路电流的试验方法，其特征在于：所述的单脉冲试验和短路电流试验中在柔性直流输电换流阀功率模块不工作情况下，调节可调直流电源(1)逐步施加直流电压至400V，复位后继续增大直流电压直至2100V。

6.根据权利要求4或5所述的一种MMC-HVDC柔性直流功率模块短路电流的试验方法，其特征在于：所述的方法中采用示波器和差分探头测量控制全控型器件开通和关断的脉冲和电容器(3)的直流电压波形。

7.根据权利要求6所述的一种MMC-HVDC柔性直流功率模块短路电流的试验装置，其特征在于：所述的示波器为四通道示波器。

8.根据权利要求4或5所述的一种MMC-HVDC柔性直流功率模块短路电流的试验装置，其特征在于：所述的方法中采用罗氏线圈测量电容器(3)和负载电感(9)的电流。